Plant Cell [2021 IF12.09]中國農業科學院作物所發現黃酮類物質介導蕎麥—立枯絲核菌互作機制
與大(da)多(duo)數常見的(de)禾本科谷類作物(wu)不同，蕎(qiao)(qiao)(qiao)麥(mai)(mai)(mai)(mai)隸屬于(yu)蓼科蕎(qiao)(qiao)(qiao)麥(mai)(mai)(mai)(mai)屬，是(shi)一種起源于(yu)我國(guo)的(de)重要(yao)雜糧作物(wu)。蕎(qiao)(qiao)(qiao)麥(mai)(mai)(mai)(mai)廣泛分布于(yu)世界各地，同時也(ye)是(shi)我國(guo)干(gan)旱地區(qu)、高海拔貧(pin)困山區(qu)和彝族(zu)等少(shao)數民族(zu)聚(ju)集(ji)區(qu)的(de)重要(yao)糧食(shi)作物(wu)和救(jiu)災填(tian)閑作物(wu)。蕎(qiao)(qiao)(qiao)麥(mai)(mai)(mai)(mai)營(ying)養均衡，尤(you)其是(shi)富(fu)含黃酮類物(wu)質蘆丁等活性成分，是(shi)三(san)高人群、心腦(nao)血(xue)管疾病(bing)及多(duo)種慢性病(bing)患者(zhe)的(de)重要(yao)健康食(shi)品。蕎(qiao)(qiao)(qiao)麥(mai)(mai)(mai)(mai)花大(da)、顏色鮮艷(yan)多(duo)樣且花期長，也(ye)是(shi)鄉村旅(lv)游觀光、多(duo)產融合不可或(huo)缺的(de)重要(yao)載體(ti)。
蕎麥立枯病是蕎麥重要的(de)病害(hai)之一，多(duo)發生于(yu)我國苦蕎主產(chan)區西南(nan)地區的(de)高溫多(duo)雨季節，嚴重威(wei)脅苦蕎穩產(chan)、增產(chan)。立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）是蕎(qiao)麥立枯病(bing)的病(bing)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)菌，是一種極具破壞性的土傳病(bing)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)菌，可(ke)引起(qi)水稻紋枯病(bing)、馬鈴薯黑(hei)痣病(bing)和大豆根腐病(bing)等。該(gai)病(bing)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)菌可(ke)抵抗(kang)高溫、干旱等不(bu)良氣候，并(bing)且可(ke)以侵(qin)染不(bu)同宿(su)主，導致這一病(bing)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)菌無法通過輪作等方式來消(xiao)除，為(wei)立枯病(bing)的防治帶來了嚴重困(kun)難。前期研究(jiu)發現，從野生蕎麥到栽(zai)培蕎麥的馴化過(guo)程(cheng)中黃酮類物質含量顯著(zhu)降低，并且可能與蕎麥對立枯絲核菌的敏感性(xing)密切相關（Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023），但是其背后的分子機制尚不清楚。
近日，中(zhong)國農(nong)業科(ke)學(xue)院作物科(ke)學(xue)研究所蕎麥基(ji)因資源創新研究組周美亮研究員團隊在國際著名期刊The Plant Cell上發表了題為“Multi-omics analysis reveals the molecular mechanisms underlying virulence in Rhizoctonia and jasmonic acid–mediated resistance in Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum)”的研究(jiu)型論(lun)文，利用多組學方法揭(jie)示了茉莉酸誘(you)導的黃酮類物質代(dai)謝參(can)與調控苦蕎對立枯絲核菌抗性的分子(zi)機制。
該課題(ti)組(zu)前期(qi)發現(xian)苦蕎立(li)枯(ku)絲核菌病(bing)(bing)原菌株AG4-HGI 3的寄主范圍十(shi)分廣泛，可侵染禾(he)本(ben)科(ke)(ke)(ke)、十(shi)字花科(ke)(ke)(ke)、葫蘆科(ke)(ke)(ke)、豆科(ke)(ke)(ke)、茄科(ke)(ke)(ke)和莧科(ke)(ke)(ke)等(deng)多種重要糧食和經濟作物，毒性較強。此外，還發現(xian)苦蕎馴(xun)化(hua)過程中黃酮類(lei)物質含(han)量及(ji)對立(li)枯(ku)病(bing)(bing)的抗(kang)性均顯著下降，通過群體(ti)基因組(zu)分析發現(xian)多個苦蕎馴(xun)化(hua)位點同時與黃酮類(lei)物質代謝和抗(kang)病(bing)(bing)性密切(qie)相關（Zhang et al., Genome Biol, 2021; Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023）。為(wei)了解析該病原(yuan)菌(jun)(jun)侵染苦蕎的(de)(de)分子(zi)機制，課題(ti)組首先組裝了AG4-HGI 3菌(jun)(jun)株的(de)(de)基(ji)(ji)因組，并與其他(ta)菌(jun)(jun)株進(jin)行比較，發現該菌(jun)(jun)株具有豐富的(de)(de)致病基(ji)(ji)因。通過植物-真菌(jun)(jun)互作轉錄組鑒定出了一系列立(li)枯絲核(he)菌(jun)(jun)的(de)(de)致病基(ji)(ji)因及苦蕎響應立(li)枯絲核(he)菌(jun)(jun)的(de)(de)基(ji)(ji)因。對差異表達基(ji)(ji)因進(jin)行功能注釋(shi)發現苦蕎中有許多茉(mo)莉酸（Jasmonate acid，JA）合(he)成和信號(hao)轉導通(tong)(tong)路的關鍵(jian)基(ji)因在(zai)受立(li)枯(ku)絲核菌侵染(ran)后顯(xian)著差(cha)異表(biao)達，暗示了(le)JA信號(hao)通(tong)(tong)路可能在(zai)苦蕎響應立(li)枯(ku)絲核菌侵染(ran)過程中起關鍵(jian)作(zuo)用。
為了(le)進一步挖掘(jue)抗(kang)病候選(xuan)基(ji)因(yin)(yin)，課題(ti)組對(dui)320份(fen)苦蕎核心種質資源的(de)抗(kang)病性(xing)(xing)進行了(le)檢測(ce)(ce)，發現苦蕎種質資源的(de)抗(kang)病性(xing)(xing)具有高度的(de)變異性(xing)(xing)，為培育抗(kang)病性(xing)(xing)高的(de)苦蕎品種提供(gong)了(le)寶貴的(de)遺傳材料。利用苦蕎種質資源的(de)全基(ji)因(yin)(yin)組重測(ce)(ce)序數據進行GWAS研究，共鑒定(ding)到7條染色體上的(de)16個(ge)區間(jian)的(de)790個(ge)與(yu)抗(kang)病相關(guan)的(de)候選(xuan)基(ji)因(yin)(yin)，其中106個(ge)基(ji)因(yin)(yin)在立枯絲(si)核菌侵染及茉莉(li)酸甲酯處(chu)理后均顯著差異表達，并且與(yu)黃酮類物質合成代謝調控密切相關(guan)。
進(jin)一步(bu)研(yan)究發(fa)現JA合成代謝(xie)通路關鍵酶基因(yin)FtCYP94C1在苦(ku)蕎受立枯絲核菌侵染后(hou)及茉(mo)莉酸處(chu)理后(hou)均顯著(zhu)差異表(biao)(biao)達(da)，并且過表(biao)(biao)達(da)該(gai)基因可顯著(zhu)提(ti)高(gao)植物的(de)抗病性。通過對過表(biao)(biao)達(da)植株進行(xing)代謝組檢(jian)測發(fa)現，FtCYP94C1可顯著(zhu)提高黃(huang)酮類物質蘆(lu)丁(ding)的含量。前期已有(you)研究表明黃(huang)酮類物質蘆(lu)丁(ding)具有(you)提高植物抗病(bing)性的能力，推測FtCYP94C1可能通過(guo)提高黃酮類物(wu)質(zhi)蘆丁的含量(liang)來幫助苦蕎抵(di)抗立枯絲核菌的侵染。
此外(wai)，該研(yan)究還發現受JA誘導顯著差(cha)異表達(da)的(de)(de)絲氨酸羥甲基轉移(yi)酶(mei)FtSHMT，該蛋白可(ke)參(can)與黃酮類物質代謝。通過篩選FtSHMT的(de)(de)互(hu)作蛋白發現FtSHMT可(ke)與立枯絲核菌毒(du)力蛋白阿糖醇2-脫氫酶(mei)RsDAD互(hu)作。亞細(xi)胞(bao)定位結果顯示RsDAD可(ke)定位于植(zhi)物細(xi)胞(bao)核，并且該毒(du)力蛋白可(ke)促進立枯絲核菌侵(qin)染植(zhi)物，推(tui)測RsDAD與FtSHMT的(de)(de)互(hu)作可(ke)能(neng)對(dui)立枯絲核菌侵(qin)染苦蕎植(zhi)株至關重要。
綜上，該研究通過整合群體遺傳學與轉錄組和代謝組等多種組學方法，揭示了立枯絲核菌與苦蕎互作的分子機制，為重要糧食和經濟作物抗病分子育種提供了重要的基因資源。
中國農科院作物(wu)科學研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)助(zhu)理(li)研(yan)究(jiu)(jiu)員何(he)毓琦、副研究員張凱(kai)旋、已畢業博士李世娟、博士(shi)生盧(lu)翔(xiang)、已畢業博(bo)士趙輝、博(bo)士后關超男和黃旭為該(gai)論文第一作者，周美亮研究員為通訊(xun)作者。此外(wai)，貴州大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)程(cheng)劍(jian)平(ping)教(jiao)授(shou)、甘肅(su)農業大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)徐秉良教(jiao)授(shou)、英(ying)國(guo)南(nan)安普頓大(da)(da)學(xue)(xue)(xue)雜糧作物研究中(zhong)心(xin)主任Mark A. Chapman教(jiao)授(shou)、保加利亞(ya)科學(xue)(xue)(xue)院Milen I. Georgiev教(jiao)授(shou)、德國(guo)馬普學(xue)(xue)(xue)會(hui)分子植物生理(li)學(xue)(xue)(xue)研究所Alisdair R. Fernie教(jiao)授(shou)也參(can)與了(le)該(gai)項(xiang)(xiang)研究。該(gai)研究獲得(de)了(le)國(guo)家自然科學(xue)(xue)(xue)基金委重點國(guo)際合作項(xiang)(xiang)目、三亞(ya)崖州灣菁英(ying)人才科技(ji)專項(xiang)(xiang)科技(ji)城項(xiang)(xiang)目、國(guo)家重點研發計(ji)劃、歐盟(meng)地平(ping)線2020項(xiang)(xiang)目等(deng)項(xiang)(xiang)目的支持。
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該項(xiang)研究(jiu)中使用了公司以下(xia)產品：
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